网球发射机器人综合设计

开发研究

网球发射机器人综合设计

徐宇涵常峥平威

（武昌首义学院，湖北 武汉430064）

摘要:为了使网球发射机更加专业化并且适用于训 练，设计研究了更适合网球发射的机械结构。通过运

用三维建模软件和对强度的校核与验算，设计出包括 网球进球口的收集，网球分拨盘结构、网球发射结构以 及网球转侖结构的网球发射机器人。填补了网球发球 机器人领域的机械结构空缺，优化升级了现有的网球

结构，为网球运动员的训练提供了有利的技术支持。

关键词:网球发射；有限元分析；多领域建模与仿真； 储球分球

1简介

1.1项目的研究意义

此机器人的机械结构设计为网球的多功能发射实现了

可能，它可以变换网球的发球点、网球的落点、网球的旋度、 网球的角度以实现模拟专业选手的球路。全方面地模拟训 练者可能面临在实际赛场上的大多数问题，并加以强化锻 炼。通过编程可以拓展网球发射机器人的功能，实现单向

发球、单一旋度发球、高远球、吊球等类似于真人的不同球 路发球的拟真。同时由于机器可以实现全场地运动，可以

锻炼运动员的回球能力。

1.2国内研究现状

网球运动在1885年前后传入中国。最早的中国国内

的网球比赛是于1898年在上海举行的斯坦豪斯杯赛。

1906年，国内大部分学校开始举行校际网球赛，促进了网

球运动在中国的传播。网球逐步迈向大众视野的同时，更 加扩大了公众对网球的运动训练的需求。与此同时，网球 训练必须要双人对打的条件成为了无数网球爱好者难以进

步水平的根本原因。而网球发球机则改变了只能双人对打 的局面，尽管无法体验到和人对打的激动、技艺、乐趣，但是 对于自身技术提高会有很大帮助。现在主流网球发球机的 发球机主要为弹射式发球，有部分采用对转双轮结构，但是

都存在着功能单一、结构简单、精度较差等明显劣势。而且 这类发球机构的服务对象都针对一般性的网球爱好者。所 售商品大多都有结构轻便、体积较小等特点。

而此网球发球机构 同时兼具了市面上普遍

存在的网球发球机构的 优点，同时又具有精度

高，功能全面，可调节幅 度大的优点。

2发球机构介绍 2.1总体介绍

图］网球发球机外观

图2网球发球机侧视图（去壳）

图］中所示为带式网球发球机器人，网球通过上方进 球口进入，经过储球分球机构、分拨盘，对转双轮由发球机

构以斜抛运动的形式发出。底座上方设有云台，可以让上

方机构360。旋转。下方加装履带式麦克纳姆轮，允许机 器人直行与缓慢转向。

如图2所示电机安 放在甲板底端通过带传

动连接至对转双轮机

构。同时在云台下方放 置一个电机直接与云台 轴承相连接带动其旋

转。在云台上方的凸台

上装有最后一个电机。由齿轮与蜗轮蜗杆传动至分拨盘位 置，同时在齿轮轴上连接一个v 带至储球机构以实现一个

电机分别带动储球机构旋转和分拨盘旋转。

2.2储球分球机构简介

如图3所示，当球

被放入箱体时，会进入

有倾斜角且存在挡板的

6条轨道，网球会沿着轨

道向下移动。网球会沿

着轨迹向下排列等待。

扇叶会在网球排列等待

的时候以规定速度旋转运动，网球会被旋转的扇叶挤压过 凸台并被推入下球的口。扇叶每转一转只允许带走一排小

球，而后面其余的小球则会被凸台给挡住。这样可以确保 网球能顺利地进入下方的分球机构。

2.3分拨盘传动部分设计

如图4所示，此机构由若干部分组成,分别为转盘、定 盘、漏球口、涡轮蜗杆以 及一对齿轮。通过电机

的驱动、电机删齿轮转 动、齿轮通过啮合传动,

将动力传输到涡轮蜗杆, 从而达到减速的目的。 分边铳了一层齿,

代替了涡轮蜗杆中涡轮

图4分拨盘和传动机构

的作用。分拨盘中有6个通孔，定盘则只有一个通孔且固

定不动，每个通孔刚好可以放入一个网球，当分拨盘通过转 动到与定盘的孔位置相同时小球便可以下落，以实现小球

的输出。

《湖北农机化》2019

年第仃期

开发研究

一般网球发球频率为20〜30次/min。设计分拨盘转速n为4r/min。网球宜径为6.8cm,取分拨盘和定盘球孔直径d=7cm,略微大于网球直径。为了不让机构运动发生干涉，分拨盘和定盘直径D=35cm,材质均可选用不锈钢。选用的涡轮蜗杆传动比i=20切向模数为4mm,切向压力角为20。,导程角为11.31°,蜗杆头数为2,长度为60mm,涡轮齿数为40。蜗杆选用材料为合金钢，蜗轮的材料选为铸造锡青铜，这种材料耐磨性较好。齿轮传动比i 为1.8,模数选取为3mm,压力角20。，变位系数和螺旋升角为0。，小齿轮齿数，z讦54,z2=98分度圆直径d：= Zim=162mm,d2=z2m=294mm,中心距为a=tdi+d2】/2= [162+294]/2=228mm,齿宽均为30mm,选取材料均为20CrMnTi，热处理方法为渗碳后淬火,这样其强度极限和屈服极限可以达到较大值。同时电机转速为144r/min,型 号为GA12—N20,额定功率为0.96W。

由于网球发球机的布局空间布局，分拨盘旁的一对齿轮模数为3mm o综上所述,在进行齿轮啮合的计算后，齿轮参数如下：

齿宽系数为30mm,小齿轮齿数zi=54,大齿轮齿数斫98,传动比i为1.8,模数选取为3mm,压力角20°小齿轮分度圆直径：d]=162mm,大齿轮分度圆直径: d2=294mm,中心距228mm,选取材料均为20CrMnTi,热处理方法为淬火，使其拥有较大的强度极限和疲劳极限。

2.4发球机构

网球经由分拨盘漏球口出来，通过轨道下滑到对转双轮机构,经过对转双轮高速旋转而使网球挤压弹射出去。为了使结构合理，我们使轨道搭在了架子上，这个措施让轨道有了支撑。2个电机分别安装在下方板上，通过同步带的传递分别带动双轮转动。同步带目的在于传递功率，仅存在10%功率损耗。对于对转双轮，双轮线速度可以近似看作网球发射速度，为22m/s。摩擦轮半径r=0.234mn,电机n=910r/min o选用型号为Y90S-6伺服电机，额定功率为0.75RW,额定电流为2.3A。

3云台机构的电路设计及应用

采用mworks多领域建模仿真软件对对转双轮进行仿真分析。由于伺服电

机需要电机轴与外部轴

相匹配的转动惯量，达到

惯量匹配。在惯量匹配

时机构运行较为稳定，同

时不会出现由于惯量不

匹配导致的机构振动的图5电路整体仿真

现象。然而惯量匹配没有固定的参考值与计算公式，就更需要运用仿真软件为其选取合适的值。图5为云台电路仿真，图6为电机仿真。仿真数据可以得出当选取电机转动惯量200kg/m2时,可以在Is内使机械台转动30°，此时达到比较符合要求的惯量匹配，使机械在平稳旋转的同时满足较低转动惯量的电机。

图6电机电路仿真

4云台轴承端盖应力分析

此端盖在机构转动过程中，与除本身和底座外所有机构重力所造成的压力直接承受,并且还要承受电机的转矩,综合考虑其承受负载较大。所用材料也为碳钢，其强度、刚度均达到设计要求。

产生的形变量也在材料承受范围内，具体情况如图7。

图7云台轴承端盖应力分析图

5结束语

本文基于提升市面上已有的网球发球机器，提供更加专业且功能完备的解决方案，并得出以下结论：

(1)通过Autodeskinventor的建模技术以及其附带的应力分析功能，还有Mworks多领域建模仿真软件的运用,确保了机械运行的稳定和可靠性。

(2)通过强度、硬度分析，该网球发射机器人的机械结构有足够的强度、刚度和稳定性以支撑发球。

(3)该网球机器人还有很多电子电路方面的内容需要加以补充研究，如何实现网球发球机器人的智能化,如何融入更多的技术，如计算机视觉或者自然语言处理，使之达到真正的智能还有很长的路要走。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2004.

⑵关慧贞•机械制造装备设计M打惊:机械工业出版社,2015.

[3]陈立德,赵海霞.机械制造装备设计[M].北京:国防工业出

版社,2010.

⑷陈晓南.机械设计基础[M].北京:科学出版社,2012.

(收稿日期=2019-06-30)

《湖北农机化》2019年第17

期礙